Holografie

00:00:00: Holografie.

00:00:02: Holographie ist eine Methode, um ein Wellenfeld aufzuzeichnen und später wiederherzustellen.

00:00:09: Dieses Wellenfeld kann von jedem beliebigen Objekt ausgehen.

00:00:14: Anders als bei der Fotografie werden hier nicht nur die Intensität sondern auch die Phase des Wellenfeldes rekonstruiert.

00:00:24: Dadurch scheinen die Motive bei der Betrachtung frei im Raum zu schweben – wer sich seitlich bewegt kann um ein Objekt herumschauen.

00:00:33: Bei beidäugigem Betrachten entsteht dabei einen vollständig dreidimensionalen Eindruck.

00:00:41: Holographische Verfahren kommen auch in der Messtechnik zum Einsatz, so lassen sich damit zb kleine Verformungen auf Oberflächen messen.

00:00:51: Eine mit diesen Techniken erzeugte Aufnahme nennt man hologramm oder speicherbild.

00:00:57: Bei Beleuchtung mit koherentem Licht gibt sie ein echtes dreidimensionales Abbild des Ausgangsgegenstandes wieder.

00:01:07: Die entscheidenden Ideen zur Holographie und auch der Begriff selbst stammen aus nineteenhundertsiebenundvierzig, damals suchte der ungarische Ingenieur Dennis Gabor einen Weg Elektronenmikroskope zu verbessern.

00:01:23: Zu jener Zeit ließ sich kohärentes Licht noch nicht einfach erzeugen, denn der Laser war noch nicht entwickelt.

00:01:31: Für seine Arbeiten erhielt Gabor nineteenhundertseinundsiebzig den Nobelpreis für Physik – historische Entwicklung.

00:01:42: Schon neunzehnhundertzwanzig wollte der polnische Physiker Mitziswa Wolfke die mikroskopische Abbildung in zwei Stufen aufteilen.

00:01:51: Zuerst sollte ein Zwischenbild mit Strahlen kurzer Wellenlänge, zum Beispiel Röntgen-Strahlen erzeugt werden.

00:01:59: In der zweiten Stufe sollte dieses Zwischenbild mit normalem Licht betrachtet werden – die Realisierung scheiterte jedoch an experimentellen Schwierigkeiten.

00:02:10: Erst achtundzwanzig Jahre später entwickelte Dennis Gabor ein entsprechendes Modell und legte damit den Grundstein für die Holographie.

00:02:21: Sein besonderes Verdienst bestand darin zu zeigen, wie sich die Phaseninformation des Zwischenbilds durch Überlagerung der vom Objekt ausgehenden Welle und einer Referenzwelle direkt gewinnen und fotografisch festhalten lässt.

00:02:38: Gabor zeichnete das Hologramm eines kleinen Dias von etwa zwei Quadratmillimetern auf.

00:02:45: Auf diesem Dier standen die Namen der drei Physiker Christian Heugens Thomas Yang und Augustine Jean Fresnel.

00:02:55: Damals war seine Arbeitsweise jedoch stark eingeschränkt, weil er zum Beispiel eine Quecksilber-Dampflampe als Lichtquelle nutzen musste.

00:03:04: Mit einem Farbfilter und einer Lochblende konnte er die Kohärenz erhöhen, was allerdings zu einem starken Verlust an Lichtintensität führte.

00:03:14: Sein Aufbau wird als Inline-Methode bezeichnet – weil alle Elemente in einer Reihe angeordnet sind!

00:03:23: Er nutzte nur einen einzigen Lichtstrahl und arbeitete ohne räumlich getrennte Referenz-und Objektwellen.

00:03:31: Das verwendete Dier war bis auf die schwarzen Buchstaben durchsichtig, das Licht wurde an den Buchstabendrändern gebeugt während der Kohärente Hintergrund von den transparenten Bereichen kam und so Interferenzen ermöglichte.

00:03:48: Das Ergebnis war nur wenig zufriedenstellend, weil die drei Namen auf dem Hologramm kaum zu erkennen waren und viele dunkle Flecken störten.

00:03:57: Gabor war überrascht als er ein zweites Bild bemerkte, das sich mit dem eigentlichen Bild überlagerte.

00:04:05: Dieses zweite Bild wird als pseudoskopisches oder reales Bild bezeichnet – es gibt alle Konkaven-Wölbungen als Convexe wieder und umgekehrt!

00:04:16: Nachdem seine Forschungsarbeiten nineteenhundertneunundvierzig und neunzehunderteinundfünfzig veröffentlicht worden waren, zog sich Gabor enttäuscht aus diesem Forschungsfeld zurück.

00:04:29: Er war mit seinen eigenen Resultaten nicht zufrieden.

00:04:33: Neunzehnhundertnäunundfünftig erfuhr Gabor überraschend, dass die amerikanischen Wissenschaftler Emmett Leith und Juris Upatniks überzeugende dreidimensionale Bilder erzeugt hatten!

00:04:48: Ihre Ergebnisse beruhten weitgehend auf Gabor's theoretischen Grundlagen.

00:04:52: Sie verwendeten ein Zwei-Strahlverfahren, um das Problem des doppelten Bildes zu vermeiden.

00:04:59: Dadurch konnte man das virtuelle Bild hinter dem Film vom reellen Bild vor dem Film trennen.

00:05:06: Ein Jahr später wurde der erste Laser von Theodor Mayman erfunden – ein Rubinlaser und nineteenhundertsechzig folgte der Helium Neonlaser.

00:05:18: In diesem Zeitraum begann die Blütezeit der Holographie.

00:05:23: Im selben Jahr führten Emmett Leidt und Joris Upatniks erste erfolgreiche holografische Versuche mit Lasern durch.

00:05:31: Plötzlich fand Gabor's Erfindung wieder Beachtung, und zog vor allem in den Sechziger-und Siebzigerjahren große Aufmerksamkeit auf sich!

00:05:39: – — — —— — — Damit wurde er dreiundzwanzig Jahre nach seiner Erfindung der Holographie gewürdigt.

00:05:54: Physikalische Grundlagen Bei der schwarz-weiß Fotografie wird nur die Intensität des einfallenden Lichts auf dem Film gespeichert, Die Farbfotografie erfasst zusätzlich die Farbe – also die Frequenz des Lichtes.

00:06:10: Bei der Hologie werden sowohl die Phase als auch die Intenzität festgehalten.

00:06:17: Dies geschieht mithilfe von Interferenz.

00:06:20: Um präzise Interferenzmuster zu erzeugen, verwendet man coherentes Licht.

00:06:26: Oft ist das ein Laserstrahl, der mit Streulinsen aufgeweitet wird.

00:06:32: Aufnahme Wenn ein Objekt mit coherentem Licht beleuchtet wird, reflektiert und streut es das einfallende Licht.

00:06:41: Dabei entsteht ein Wellenfeld, das mit dem Auge wahrgenommen werden kann.

00:06:47: Dieses Feld wird als Objektwelle bezeichnet.

00:06:50: Die Objektwelle überlagert sich mit dem ungestreuten Licht, das als Referenzwelle des selben Lasers dient.

00:06:58: Beide Wellenfronten interferieren miteinander – die daraus resultierenden Interferenzmuster treffen auf eine lichtempfindliche Schicht, die sich auf einer Glasplatte oder einem Film befindet.

00:07:11: Obwohl die Schicht nur auf die Lichtintensität reagiert, wird durch die Interferenz zugleich die relative Phase zwischen Objektwelle und Referenzwelle festgehalten.

00:07:23: Für die Aufzeichnung von Hologrammen müssen die entstehenden Interferenzmuster zeitlich und räumlich stabil bleiben.

00:07:31: Die Objekte dürfen sich während der oft mehrere Minuten dauernden Belichtungszeit nicht bewegen – Aufnahmeapparatur Und Objekt werden daher festfixiert, damit keine Störungen auftreten.

00:07:48: In vielen Fällen wird der gesamte holografische Aufbau auf einem besonders schweren und schwingungsarmen Tisch montiert.

00:07:56: Solche Tische bestehen häufig aus mehreren Tonnen schwerer Stahl- oder Steinplatten die auf gedämpften Füßen stehen.

00:08:04: Alternativ können Pulslaser zum Einsatz kommen.

00:08:08: Dann beeinträchtigen Schwingungen die Bildqualität nicht sodass man auf einen schwingungsdämpfenden Tisch verzichten kann.

00:08:17: Beim Entwickeln des Films wird das Interferenzmuster gespeichert, Das fertige Hologrammen besteht aus einem Muster schwarzer Linien die den Interferenzmaxima entsprechen und weißer Linien, die die Interferensminima widerspiegeln.

00:08:33: Diese Linien besitzen eine sehr hohe Dichte und sind äußerst fein sodass ein gewöhnlicher Fotofilm sie nicht wiedergeben könnte.

00:08:44: Mit dem bloßen Auge sind Sie nichts zu

00:08:46: erkennen.".

00:08:48: Bei der Rekonstruktion wird das Hologram mit einer Welle beleuchtet, die der Referenzwelle entspricht.

00:08:55: Das Licht wird am Interferenzmuster gebeugt, so dass eine exakte Kopie der ursprünglichen Objektwelle entsteht.

00:09:03: Hinter dem Hologramm sieht man den Gegenstand anschließend so als Blickemann durch ein Fenster.

00:09:10: Aus diesem Grund werden solche Holograme oft Transmissionshologramme genannt, weil Laser und Betrachter sich auf verschiedenen Seiten befinden.

00:09:22: Auch das gesamte Wellenfeld vor- und hinter dem aufgezeichneten Objekt wird wiederhergestellt.

00:09:29: daher nehmen die Augen des Betrachters das Bild jeweils aus verschiedenen Richtungen wahr.

00:09:35: Das Gehirn kann so einen räumlichen Eindruck erzeugen – dieser wird verstärkt, weil man sich im Wellenfeld hin und her bewegen kann und den Gegenstand aus unterschiedlichen Blickwinkeln und in begrenztem Umfang sogar rundherum betrachtet.

00:09:53: Jeder Punkt des Objekts prägt das Wellenmuster der gesamten holografischen Schicht.

00:10:00: Wird ein Hologramm zerteilt, zeigt jedes einzelne Teil bei der Rekonstruktion dennoch das vollständige Bild.

00:10:08: Allerdings verringert sich dabei die Auflösung und der räumliche Bildwinkel wird kleiner.

00:10:15: Aufnahmematerial Wenn sich die Referenzwelle mit der Objektwelle überlagert entsteht ein Interferenzmuster.

00:10:24: Der Winkel zwischen den Wellen bestimmt die sogenannte Ortsfrequenz.

00:10:29: Diese Ortsfrequenz ist der Kehrwert der Periodenlänge.

00:10:35: Ein Beispiel dafür, ist ein Muster aus weißen und schwarzen Streifen mit einer Streifenbreite von einem Millimeter das somit eine Periodenlänge von zwei Millimetern besitzt.

00:10:48: Die Orts-Frequenz liegt dann bei einem halben Linienpaar pro Millimeter.

00:10:54: Für die maximale Ortsfrequenz in einem Hologramm ist ausschlaggebend, wie groß der Winkel zwischen Objekt und Referenzwelle werden kann.

00:11:04: Die lichtempfindliche Schicht mit der ein Hologramm aufgezeichnet wird braucht einen Auflösungsvermögen das dieser maximalen Orts-Frequenz entspricht.

00:11:13: – Ein Beispiel Wenn der maximale Winkel dreißig Grad beträgt und Licht mit einer Wellenlänge von fünfhundertzweiunddreißig Nanometern eingesetzt wird, liegt die maximale Ortsfrequenz bei etwa neunhundertdrei-undsiebzig Linienparen pro Millimeter.

00:11:31: Bei einem Winkel von einhundertachtzig Grad in der Reflexionsholographie ergeben sich netzebenen Abstände von einer halben Wellenlinge.

00:11:40: Holografische Filme können wie herkömmliche fotografische Filmen aus einer Geldschicht bestehen, in der Silber-Hallogenie verteilt sind.

00:11:50: Diese zersetzen sich unter Lichteinwirkung in Silberkristalle und freie Hallogene.

00:11:57: An den hellsten Stellen bilden sich besonders viele Silbergristalle die den Film schwerzen.

00:12:04: Anschließend wird der Film in verschiedenen Bädern entwickelt.

00:12:08: Auf diese Weise entsteht ein Amplitudenhologramm.

00:12:13: Damit die nötige Auflösung erreicht wird, müssen die Silberkristalle für holografische Zwecke oft deutlich kleiner sein.

00:12:21: Durch bestimmte Bleichprozesse lassen sich außerdem Phasenhologramme erzeugen weil sich dabei einen abweichender Brechungsindex einstellt jedoch ohne nennenswerte Absorption.

00:12:36: bei Fotolacken Auch Fotoresist genannt, Härten belichtete Bereiche teilweise aus.

00:12:42: Bei einem Positivlack bleiben die unbelichteten Stellen fest – bei einem Negativlack verfestigen sich die Belichteten stellen.

00:12:52: Nach dem Auswaschen des ablösbaren Anteils bleiben hauchdünne Erhöhungen im Lack zurück.

00:12:59: Dieses Relief führt zu einem Phasenhologramm.

00:13:02: Solche Filme eignen sich auch als Vorlage für Stempel, um präge Hologramme herzustellen.

00:13:10: Fotopolimere verändern während der Belichtung ihren Brechungsindex so dass dabei ein Hologramm entsteht.

00:13:18: Anschließend werden sie mit normalem Licht fixiert.

00:13:21: Diese Methode eignet sich sowohl für Transmissions- als auch für Reflexionshologramme.

00:13:29: Thermoplastischer Film wird vor der Aufnahme elektrostatisch aufgeladen und anschließend belichtet.

00:13:36: Die Entwicklung geschieht durch Erwärmung.

00:13:39: Je nachdem, wie stark das Laserlicht an einer Stelle war, ändert sich dort die Leitfähigkeit.

00:13:45: Das aufgezeichnete Hologramm kann wieder gelöscht werden – der Film ist also mehrfach verwendbar!

00:13:51: Das erreichbare Auflösungsvermögen liegt bei einigen hundert Linienpaaren pro Millimeter und begrenzt somit den Winkel zwischen Objekt- und Referenzwelle.

00:14:03: In der digitalen Holographie kommen oft Kameras mit sogenannten ladungsgekoppelten Bauelementen oder mit komplementären Metalloxidhalbleiter zum Einsatz.

00:14:14: Moderne Bildsensoren besitzen Pixelabstände von etwas über einem Mikrometer, was eine Auflösung von einigen hundert Linienpaaren pro Millimeter entspricht – damit bleibt auch hier der Winkel zwischen den Lichtwellen begrenzt!

00:14:31: Echtheitszertifikate.

00:14:33: Zum Schutz vor Fälschungen werden auf den meisten Geldscheinen und Passen Hologramme oder Kinegramme aufgedruckt.

00:14:41: Das erschwert ein Kopieren erheblich!

00:14:44: Diese Technik kommt auch bei Eintrittskarten für Sport- und Musikveranstaltungen zum Einsatz.

00:14:52: Holograme und Kinegrame werden oft verwechselt, Holograne zeigen dreidimensionale Bilder.

00:14:59: Kinogramme zeigen dagegen zweidimensionale Bewegungsabläufe, die sich mit dem Blickwinkel verändern.

00:15:07: Zurzeit werden Verfahren entwickelt bei denen Hologramme mit Sprengstoff in Stahlbauteile eingeprägt werden um Fälschungen weiter zu erschweren.

00:15:17: Medizin In der Medizin wird an Methoden geforscht, die das Gesicht mithilfe der Holographie dreidimensional vermessen.

00:15:27: Bei Operationen im Gesicht sind sorgfältige Planungen notwendig.

00:15:32: Deshalb muss das Gesicht präzise vermessen werden?

00:15:36: Herkömmliche Verfahren gelten als aufwendig und ungenau, weil sich die Patientinnen und Patienten unwillkürlich bewegen!

00:15:46: Hologramme von Gesichtern, die mit gepulsten Lasern in fünfundzwanzig bis fünfunddreißig Nanosekunden aufgenommen werden liefern genaue Informationen über die Maße und die räumliche Tiefe des Gesichtes.

00:16:00: Um die Daten auf den Computer zu übertragen fertigt man von jeder räumlichen Ebene des holographischen Bildes eine Kameraaufnahme an.

00:16:10: Diese Schnittbilder werden am Computer zusammengefügt und ausgewertet.

00:16:16: Ende Jahrzehnte führte eine Forschungsgruppe in Zürich unter der Leitung des Wirbelsäulenchirurgen Mazda Farshad erstmals eine direkte holografische Navigation durch, um Schrauben im Wirbelkörper zu setzen.

00:16:33: Auch die holographische Endoskopie ist für chirurgische Eingriffe von großer Bedeutung und befindet sich noch in der Entwicklung.

00:16:43: Archäologie Mit holographischen Aufnahmegeräten lassen sich dreidimensionale Bilder archäologischer Fundstücke anfertigen.

00:16:54: Diese Hologramme können am Computer weiter bearbeitet werden – so entfällt der aufwendige Transport, der ein Beschädigungsrisiko darstellen würde.

00:17:05: Da alle räumlichen Informationen über die Gegenstände erhalten bleiben kann die Auswertung an einem anderen Ort erfolgen.

00:17:13: Mehrere Bruchstücke, zum Beispiel von Tongefäßen können außerdem am Computer zusammengefügt werden.

00:17:22: An der Universität Münster entstehen sehr hochauflösende und echtfarbige Hologramme alter Keilschrifttafeln.

00:17:28: Sie werden am Computer zusammengefügt um ihre Lesbarkeit zu erhöhen.